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2. Determinar el polinomio de Taylor de segundo orden alrededor del punto \( x_{0}=1 \), para la función \( f(x)=(x-1) \ln x \). Utilizar el polinomio encontrado para aproximar \( f(0.5) \). 3. Calcular el polinomio de Maclaurin de cuarto orden de \( f(x)=\ln (1+x) \). Utilizar el resultado para

Ask by Ellis Lambert. in Mexico
Jan 24,2025

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El polinomio de Taylor de segundo orden para \( f(x) = (x-1) \ln x \) alrededor de \( x_0 = 1 \) es \( P_2(x) = (x - 1)^2 \). Utilizando este polinomio, \( f(0.5) \) se aproxima a 0.25. El polinomio de Maclaurin de cuarto orden para \( f(x) = \ln(1+x) \) es \( P_4(x) = x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 \).

Solución

Vamos a resolver los dos problemas paso a paso. ### Problema 2: Polinomio de Taylor de segundo orden **Paso 1: Encontrar las derivadas necesarias** Para encontrar el polinomio de Taylor de segundo orden de la función \( f(x) = (x-1) \ln x \) alrededor del punto \( x_0 = 1 \), necesitamos calcular \( f(1) \), \( f'(1) \) y \( f''(1) \). 1. **Cálculo de \( f(1) \)**: \[ f(1) = (1-1) \ln(1) = 0 \cdot 0 = 0 \] 2. **Cálculo de \( f'(x) \)**: Usamos la regla del producto: \[ f'(x) = \ln x + (x-1) \cdot \frac{1}{x} = \ln x + 1 - \frac{1}{x} \] Ahora evaluamos en \( x = 1 \): \[ f'(1) = \ln(1) + 1 - 1 = 0 \] 3. **Cálculo de \( f''(x) \)**: Derivamos \( f'(x) \): \[ f''(x) = \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2} \] Evaluamos en \( x = 1 \): \[ f''(1) = 1 + 1 = 2 \] **Paso 2: Construir el polinomio de Taylor** El polinomio de Taylor de segundo orden se da por la fórmula: \[ P_2(x) = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0) + \frac{f''(x_0)}{2}(x - x_0)^2 \] Sustituyendo los valores que encontramos: \[ P_2(x) = 0 + 0 \cdot (x - 1) + \frac{2}{2}(x - 1)^2 = (x - 1)^2 \] **Paso 3: Aproximar \( f(0.5) \)** Ahora utilizamos el polinomio para aproximar \( f(0.5) \): \[ P_2(0.5) = (0.5 - 1)^2 = (-0.5)^2 = 0.25 \] ### Problema 3: Polinomio de Maclaurin de cuarto orden **Paso 1: Encontrar las derivadas necesarias** Para la función \( f(x) = \ln(1+x) \), necesitamos calcular \( f(0) \), \( f'(0) \), \( f''(0) \), \( f'''(0) \) y \( f^{(4)}(0) \). 1. **Cálculo de \( f(0) \)**: \[ f(0) = \ln(1+0) = 0 \] 2. **Cálculo de \( f'(x) \)**: \[ f'(x) = \frac{1}{1+x} \] Evaluamos en \( x = 0 \): \[ f'(0) = 1 \] 3. **Cálculo de \( f''(x) \)**: \[ f''(x) = -\frac{1}{(1+x)^2} \] Evaluamos en \( x = 0 \): \[ f''(0) = -1 \] 4. **Cálculo de \( f'''(x) \)**: \[ f'''(x) = \frac{2}{(1+x)^3} \] Evaluamos en \( x = 0 \): \[ f'''(0) = 2 \] 5. **Cálculo de \( f^{(4)}(x) \)**: \[ f^{(4)}(x) = -\frac{6}{(1+x)^4} \] Evaluamos en \( x = 0 \): \[ f^{(4)}(0) = -6 \] **Paso 2: Construir el polinomio de Maclaurin** El polinomio de Maclaurin de cuarto orden se da por la fórmula: \[ P_4(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2}x^2 + \frac{f'''(0)}{6}x^3 + \frac{f^{(4)}(0)}{24}x^4 \] Sustituyendo los valores que encontramos: \[ P_4(x) = 0 + 1 \cdot x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{2}{6}x^3 - \frac{6}{24}x^4 \] Simplificando: \[ P_4(x) = x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 \] ### Resumen de resultados 1. El polinomio de Taylor de segundo orden de \( f(x) = (x-1) \ln x \) alrededor de \( x_0 = 1 \) es \( P_2(x) = (x - 1)^2 \) y \( f(0.5) \approx 0.25 \). 2. El polinomio de Maclaurin de cuarto orden de \( f(x) = \ln(1+x) \) es \( P_4(x) = x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 \).

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The Deep Dive

Para encontrar el polinomio de Taylor de segundo orden alrededor del punto \( x_{0}=1 \) para la función \( f(x)=(x-1) \ln x \), primero calculamos las derivadas de \( f(x) \) en \( x=1 \). La primera derivada \( f'(x) \) es \( \ln x + 1 - \frac{1}{x} \) y evaluándola en \( x=1 \) nos da \( 0 \). La segunda derivada \( f''(x) \) resulta ser \( \frac{1}{x} \), que evaluada en \( x=1 \) da \( 1 \). Entonces, el polinomio de Taylor de segundo orden es \( P(x) = 0 + 0(x-1) + \frac{1}{2}(x-1)^2 = \frac{1}{2}(x-1)^2 \). Para aproximar \( f(0.5) \), sustituimos en el polinomio: \( P(0.5) = \frac{1}{2}(0.5-1)^2 = \frac{1}{2}(0.5^2) = \frac{1}{8} = 0.125 \). Para el polinomio de Maclaurin de cuarto orden de \( f(x)=\ln(1+x) \), comenzamos evaluando las derivadas: \( f(0)=0 \), \( f'(0)=1 \), \( f''(0)=-\frac{1}{2} \), \( f'''(0)=\frac{1}{6} \), y \( f^{(4)}(0)=-\frac{1}{24} \). Con ello, el polinomio de Maclaurin es \( P(x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} - \frac{x^4}{24} \). Esto simplifica la evaluación de \( \ln(1+x) \) para valores cercanos a cero, siendo útil en cálculos matemáticos en campos como la ingeniería y la economía.

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